VARIACION DE LA CONDUCTIVIDAD
Marzo de 2012
Introducción. Conductividad. La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de las partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores metálicos o semimetalicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitos. (Fuente: Wikipedia).
La conductividad eléctrica y la temperatura. Metales. Los metales son buenos conductores de la electricidad y del calor, debido principalmente a que tienen espacios sin rellenar en la banda de valencia. Estos espacios sin rellenar en la banda de valencia, facilita el libre movimiento de los electrones, favoreciendo con ello, la conducción eléctrica. De esta forma, cuando un trozo de metal se somete a una diferencia de potencial, los electrones entran por el terminal negativo, desplazando los electrones libres, de manera que salgan por el terminal positivo. Esto produce un flujo de carga eléctrica a través del metal, denominada corriente eléctrica. Sin embargo, este desplazamiento de cargas no ocurre libremente. Estos electrones libres encuentran obstáculos en su camino (los propios núcleos del metal junto con sus electrones). La resistencia que oponen estos núcleos al paso de los electrones, se manifiesta en el hecho que al fluir estos, el metal se calienta. En cada choque, el electrón cede parte de su energía cinética al núcleo que vibra como un resorte alrededor de su posición. Estas vibraciones reflejan la energía perdida por las colisiones de los electrones con los núcleos y se manifiestan en forma de calor. Esto sugiere entonces, que si enfriamos los conductores metálicos, el paso de los electrones libres entre los núcleos encontrara menos resistencia, y por lo tanto fluirán con mayor agilidad. Por lo tanto, la conductividad de un metal aumenta si disminuimos su temperatura. A partir de esta última cuestión, la comunidad científica ha luchado por demostrar si esta disminución de temperatura tiene un límite o no. Esta rama de la física, se la conoce como el estudio de superconductores. Desde que en 1911, Onnes1 hubiera conseguido medir la resistencia eléctrica del mercurio a una temperatura de 4,2K, obteniendo valores extremadamente cercanos a cero, esta rama de la física, ha intentado encontrar el superconductor. Hoy en día se conocen más de mil aleaciones y otros compuestos que exhiben esta propiedad. 1
Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), físico neerlandes, descubridor de la superconductividad y galardonado con el Nobel de física en 1913.
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Semiconductores. Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad intermedia entre los conductores y los aislantes. Este rango intermedio corresponde a separaciones entre bandas de energía de menos de 2eV. En un semiconductor simple tanto los electrones de conducción como los huecos electrónicos son portadores de carga. En el caso del Silicio puro, el número de electrones de conducción es igual al número de huecos electrónicos. Los semiconductores elementales puros de este tipo se denominan intrínsecos. Mientras que a los semiconductores dopados o con impurezas, se los denomina extrínsecos. Se a comprobado, que la conductividad de los semiconductores, depende de la concentración y de la movilidad de los electrones. Estas dos magnitudes son resultados de procesos físicos diferentes que dependen a su vez, de la temperatura. El resultado final, es que la influencia de la temperatura, no solo modifica los valores numéricos de la densidad de electrones y de la movilidad, sino que define las condiciones en las que tiene lugar la conducción. Como se puede ver en la grafica anterior, o en la grafica siguiente, al variar la temperatura varias decenas de grados (kelvin), la conductividad cambia muchos órdenes de magnitud. En la grafica siguiente, se representa la conductividad del Silicio puro, así como dopado (al 0,0052% B y 0,0013% B). A pesar de la concentración (dopado) tan pequeña de Boro, se observa una gran diferencia en cuanto a conductividad. A pesar de ver relativamente cercanas las dos curvas, hay que observar, que los rangos de la tabla son logarítmicos, por lo que esta cercanía es solo a modo de representación. En realidad el Silicio con 0,0052% de Boro, esta seis veces por encima del mismo dopado pero a 0,0013%. También puede observarse, que las ramas extrínsecas, son cóncavas hacia abajo y marcan un máximo cercano a la temperatura ambiente (temperatura de funcionamiento de los dispositivos).
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La conductividad térmica y la temperatura. La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción del calor. En otras palabras, la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a substancias con las que está en contacto. La conducción de calor en los materiales implica dos mecanismos principales, las vibraciones atómicas y la conducción de electrones libres. En el caso de los malos conductores eléctricos, como los cerámicos y los polímeros, la energía térmica es transportada principalmente mediante vibración de los átomos. Para los metales, eléctricamente conductores, las energía cinética de los electrones de conducción (o libres) puede ser un mecanismo de conducción de calor más eficiente que las vibraciones atómicas. Como se ha visto anteriormente, una característica de la conducción eléctrica es que el electrón puede verse como una onda o como una partícula (teoría corpuscular). Por su naturaleza ondulatoria, cualquier desorden estructural interfiere en el movimiento de la onda. Al aumentar la vibración de la red cristalina a medida que aumenta la temperatura, generalmente se disminuye la conductividad térmica. De forma similar, el desorden estructural creado por las impurezas químicas da como resultado un descenso de la conductividad térmica. En consecuencia, las aleaciones metálicas tienen a presentar menor conductividad térmica que los metales puros.
Bibliografía A continuación se exponen las fuentes consultadas para la realización de este trabajo. 1.- Wikipedia : “Conductividad (eléctrica)” (2012) (es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica). 2.- “Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros ” de James F. Shackelford. Editorial: Pearson. (2005). 3.- “Introducción a la ciencia de los materiales ” de William D. Callister, Jr. Editorial: Reverte. (2007). 4.- Textos Científicos: “El enlace en los metales” (2006) (www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales).
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